薄膜物理-(12)市赛课一等奖全省微课优质课特等奖PPT课件省名师优质课赛课获奖课件市赛课一等奖课件

第七章薄膜结构与缺点第一节薄膜结构薄膜结构因研究对象不一样分三种类型：(1)组织结构(2)晶体结构(3)表面结构1/70薄膜结构与缺点一、薄膜组织结构：(1)无定形结构薄膜组织结构是指它结晶形态其结构分为四种类型：(2)多晶结构(3)纤维结构(4)单晶结构2/701.无定形结构无定形结构(也称为非晶结构或玻璃态结构)其内部原子排列是无序，更严格地说，是不存在长程周期排列(在微观尺度上可能存在有序原子团)薄膜结构与缺点3/70薄膜结构与缺点相对于块体材料来讲，比较轻易制备非晶态薄膜这是因为薄膜制备方法比较轻易实现形成非晶态结构外部条件，即较高过冷度和低原子扩散能力4/70形成无定形薄膜工艺条件是降低吸附原子表面扩散速率硫化物和卤化物薄膜在基体温度低于77K时可形成无定形薄膜降低表面扩散速率方法：薄膜结构与缺点降低基体温度、引入反应气体和掺杂有些氧化物薄膜(如TiO2、ZrO2、Al2O3等)，基体温度在室温时有形成无定形薄膜倾向溅射沉积W、Mo、Hf、Zr、Re膜时，加入原子百分比为1%N2，所得膜是非晶态5/70在10-2～10-3Pa氧分压中蒸发铝、镓、铟和锡等超导薄膜，因为氧化层阻挡了晶粒生长而形成无定形薄膜在83%ZrO2-17SiO2和67%ZrO2-33%MgO掺杂薄膜中，因为两种沉积原子尺寸不一样也可形成无定形薄膜；薄膜结构与缺点6/702.多晶结构薄膜结构与缺点多晶结构薄膜是由若干尺寸大小不等晶粒所组成7/70用真空蒸发或阴极溅射法制备薄膜，都是经过岛状结构生长起来，必定产生许多晶粒间界形成多晶结构在多晶薄膜中，经常出现一些块状材料未曾发觉介稳相结构在薄膜形成过程中生成小岛就含有晶体特征(原子有规则排列)思索：由众多小岛聚结形成薄膜是单晶还是多晶薄膜？薄膜结构与缺点8/70讨论：晶界或晶粒间界所表现出两个特征：多晶薄膜中不一样晶粒间交界面称为晶界或晶粒间界(1)因为晶界中晶格畸变较大，所以晶界上原子平均能量高于晶粒中内部原子平均能量，它们差值称为晶界能。高晶界能量表明它有自发地向低能态转化趋势。晶粒长大和平直化都能降低界面面积，从而降低晶界能量。所以只要原子有足够动能，在它迁移时就出现晶粒长大和晶界平直化结果薄膜结构与缺点9/70多晶薄膜中晶界(晶粒间界)处原子扩散问题是薄膜物理研究一个主要内容(2)因为晶界中原子排列不规则，其中有较多空位。当晶粒中有微量杂质时，因它要填入晶界中空位，使系统自由能增加要比它进入晶粒内部低。所以微量杂质原子经常富集在晶界处，杂质原子沿晶界扩散比穿过晶粒要轻易得多薄膜结构与缺点10/703.纤维结构纤维结构薄膜是晶粒含有择优取向薄膜。依据取向方向、数量不一样又可分为单重纤维结构和双重纤维结构单重纤维结构是各晶粒只在一个方向上择优取向，有时也称为一维取向薄膜双重纤维结构是各晶粒在两个方向择优取向，二维取向薄膜类似于单晶，它含有类似单晶性质薄膜结构与缺点11/70在薄膜中晶粒择优取向可发生在薄膜生长各个阶段：在非晶态基体上，大多数多晶薄膜都倾向于显示择优取向初始成核阶段、小岛聚结阶段和最终阶段若吸附原子在基体表面上有较高扩散速率，晶粒择优取向可发生在薄膜形成早期阶段在起始层中原子排列取决于基体表面、基体温度、晶体结构、原子半径和薄膜材料熔点若吸附原子在基体表面上扩散速率较小，初始膜层不会出现择优取向薄膜结构与缺点12/703.单晶结构单晶结构薄膜通常是用外延工艺制备外延生长三个基本条件：(1)吸附原子含有较高扩散速率，所以基体温度和沉积速率就相当主要(2)基体与薄膜材料结晶相容性。假设基体晶格常数为a，薄膜晶格常数为b。晶格失配数m=(b-a)/a。m值越小，外延生长越轻易实现(3)要求基体表面清洁、光滑和化学稳定性好薄膜结构与缺点13/70薄膜结构与缺点14/70二、薄膜晶体结构薄膜晶格常数经常和块状晶体不一样薄膜晶体结构是指薄膜中各晶粒晶型情况在大多数情况下，薄膜中晶粒晶格结构与块状晶体是相同，只是晶粒取向和晶粒尺寸与块状晶体不一样产生晶格常数不一样两个原因：(1)薄膜材料本身晶格常数与基体材料晶格常数不匹配(2)薄膜中有较大内应力和表面张力薄膜结构与缺点15/70因为晶格常数不匹配，在薄膜与基体界面处晶粒晶格发生畸变形成一个新晶格，方便和基体匹配晶格常数相差百分比等于2%时，薄膜与基体界面处晶格畸变层厚度为几个埃；当相差百分比等于4%时，薄膜与基体界面处晶格畸变层厚度为几百埃；当相差百分比大于12%时，晶格畸变到达完全不匹配程度薄膜结构与缺点16/70假设基体表面上有一个半球形晶粒其半径为r，单位面积表面张力为σ晶粒产生压力为受力面积为薄膜表面张力使薄膜晶格常数改变情况可用理论计算说明薄膜结构与缺点17/70EV：薄膜弹性系数

a：晶格常数压力强度为：依据虎克定律有：薄膜结构与缺点18/70晶格常数改变比为晶格常数改变比(应变)与晶粒半径成反比，晶粒越小晶格常数改变比越大薄膜结构与缺点19/70三、表面结构薄膜为了使它总能量到达最低值，应该有最小表面积，即应该成为理想平面状态实际上这种膜是无法得到薄膜在沉积形成成长过程中，入射到基体表面上气相原子是无规律，所以薄膜表面含有一定粗糙度薄膜结构与缺点20/70因为吸附原子表面扩散，使薄膜表面上谷被填平，峰被削平，造成薄膜表面积不停缩小，表面能逐步降低基体温度较高情况下，因为吸附原子在表面上扩散，使得一些低能晶面得到发展。但在表面原子扩散作用下，生长最快晶面能消耗那些生长较慢晶面，造成薄膜粗糙度深入增大薄膜结构与缺点21/70在基体温度较低情况下，吸附原子在表面上横向运动能量较小，薄膜表面面积随膜层厚度成线性增大。所得表面面积较大，形成多孔结构薄膜，这种微孔内表面积很大，而且可延续到最低层，形成柱状体结构假如沉积薄膜真空度较低，形成薄膜也是多孔性薄膜结构与缺点22/70大多数蒸发薄膜有以下特点：(1)展现柱状颗粒和空位组合结构(2)柱状体几乎垂直于基体表面生长，而且上下两端尺寸基本相同(3)平行于基体表面层与层之间有显著界面。上层柱状体与下层柱状体并不完全连续生长薄膜结构与缺点全部真空蒸发薄膜都呈柱状体结构23/70原子沉积过程可分为三个过程：因为发生上述过程均受到对应过程激活能控制，所以薄膜结构形成与基体温度Ts和蒸发材料熔点温度Tm比值Ts／Tm亲密相关(1)气相原子沉积(2)表面扩散(3)薄膜内扩散薄膜结构与缺点24/70薄膜结构与缺点当Ts／Tm小于0.45时，薄膜就呈柱状结构大多数薄膜都是在区域1基体温度下沉积，其柱状体直径为几百个Å，柱状体之间有显著界面25/70薄膜结构与缺点26/70薄膜结构与缺点溅射方法制备薄膜组织可依沉积条件不一样而展现四种不同组织形态试验结果表明，除了衬底温度原因以外，溅射气压对薄膜结构也有着显著影响。这是因为，溅射气压越高，入射到衬底上粒子受到气体分子碰撞越频繁，粒子能量越低27/70薄膜结构与缺点在温度很低、气体压力较高条件下，入射粒子能量很低。这种情况下形成薄膜含有形态1型微观组织沉积组织展现一个数十纳米细纤维状组织形态，纤维内部缺点密度很高或者就是非晶态结构；纤维间结构显著疏松，存在许多纳米尺度孔洞。此种膜强度很低因为温度低，原子表面扩散能力有限，沉积到衬底表面原子即已失去了扩散能力。同时，薄膜形成所需临界关键尺寸很小，因而在薄膜表面上，沉积粒子会不停形成新关键28/70薄膜结构与缺点形态T型组织是介于形态1和形态2过渡型组织。此时沉积温度依然很低，沉积过程中临界关键尺寸依然很小形态1组织向形态T组织转变温度与溅射时气压相关。溅射气压越低，即入射粒子能量越高，则发生转变温度越向低温方向移动上述结果表明，入射粒子能量提升有抑制形态1组织出现，促进形态T组织出现作用。产生这种现象原因在于溅射粒子能量提升改进了薄膜表面原子扩散能量，使纤维边界处组织出现了显著致密化倾向29/70薄膜结构与缺点Ts／Tm＝0.3~0.5温度区间形态2型组织是原子表面扩散进行得较为充分时形成薄膜组织。此时，原子在薄膜内部体扩散即使不充分，但原子表面扩散能力已经提升，已经能够进行相当距离扩散在这种情况下，形成组织为各个晶粒分别外延而形成均匀柱状晶组织，柱状晶直径随沉积温度增加而增加。晶粒内部缺点密度较低，晶粒边界致密性很好，这使得薄膜含有较高强度30/70薄膜结构与缺点衬底温度继续升高(Ts／Tm>0.5)使得原子体扩散发挥重要作用。此时，在沉积进行同时，薄膜内将发生再结晶过程，晶粒开始长大，直至超出薄膜厚度。薄膜组织变为经过充分再结晶粗大等轴晶组织，晶粒内部缺点很低，如图中显示形态3型薄膜组织在形态2和形态3型组织情况下，衬底温度已经较高，因而溅射气压或入射粒子能量对薄膜组织影响变得比较小了蒸发法制备薄膜与溅射法制备薄膜组织相同，也可被相应地划分上述四种不一样组织形态。但因为在蒸发法时，入射粒子能量很低，普通认为其不易形成形态T型薄膜组织31/70薄膜结构与缺点Ts／Tm＜

0.15时，薄膜组织为晶带1型细等轴晶，晶粒尺寸只有5～20nm，组织中孔洞较多，组织较为疏松0.15＜

Ts／Tm＜0.3

时，薄膜组织为晶带T型，其特点是在细晶粒包围下出现了部分直径约为50nm尺寸稍大晶粒Ts／Tm

＝

0.3～0.5时，晶带2型组织开始出现0.5＜

Ts／Tm以后，薄膜组织变为晶带3型粗大等轴晶组织32/70薄膜结构与缺点第二节薄膜缺点薄膜体内晶体缺点和普通晶体缺点相同薄膜表面和界面会出现和体缺点不一样缺点(如表面点缺点)晶体缺点是指实际晶体中与理想点阵结构发生偏差区域33/70薄膜结构与缺点晶体缺点类型：(1)点缺点：它在三维空间各方向上尺寸都很小，也称为零维缺点如空位、间隙原子和异类原子等(2)线缺点：在两个方向上尺寸很小，也称为一维缺点，主要是位错

(3)面缺点：它空间一个方向尺寸很小，另外两个方向上尺寸较大缺点，如晶界、相界和表面等34/70一、点缺点1.点缺点类型(a)肖特基(Schottky)缺点(b)弗仑克尔(Frenkel)缺点(c)杂质缺点薄膜结构与缺点35/702.薄膜中点缺点当沉积速率很高、基板温度较低时，就可能在薄膜中产生高浓度空位缺点薄膜中存在原子空位效果主要表现在晶体体积和密度上。一个空位可使晶体体积大约减小二分之一原子体积薄膜结构与缺点薄膜中空位浓度在平衡浓度以上，所以它密度比块状小，而且空位浓度伴随时间增加而减小36/70在薄膜中点缺点约占百分之几个原子。在点缺点中数量最多是原子空位薄膜结构与缺点在真空蒸发过程中温度急剧改变会在薄膜中产生很多点缺陷薄膜点缺点对电阻率产生较大影响37/70二、线缺点(位错)晶体中位错类型有刃型位错、螺型位错和混合位错1.

线缺点(位错)类型薄膜结构与缺点38/70薄膜结构与缺点39/70薄膜结构与缺点40/70位错是薄膜中最普遍存在缺点，其密度约为1012～1013/cm2位错在块状优质晶体中，其密度约为104～106/cm2位错在发生强烈塑性形变晶体中，其密度约为1010～1012/cm2在薄膜中引发位错原因：薄膜结构与缺点(1)基体引发位错假如薄膜和基体之间有晶格失配位错，则在生长单层拟似性结构时就会有位错产生。假如在基体上有位错，那么在基体上形成薄膜就会因基体位错而引发位错41/70薄膜结构与缺点(2)小岛聚结薄膜中产生位错主要原因都来自小岛长大和聚结。在多数小岛中其结晶方向都是任意。尤其是两个晶体方向稍有不一样两个小岛相互聚结成长时，就会产生以位错形式小倾斜角晶粒晶界42/70薄膜结构与缺点43/70薄膜结构与缺点44/70薄膜结构与缺点45/70三、面缺点面缺点有晶界、相界、表面、堆积层错等薄膜结构与缺点46/70薄膜结构与缺点47/70薄膜结构与缺点1.

晶粒间界薄膜中含有许多小晶粒，与块状材料相比，薄膜晶粒间界面积较大思索：为何薄膜材料电阻率比块体材料电阻率大？48/70薄膜结构与缺点晶粒尺寸随沉积速率改变关系不像上述原因那么显著当退炽热处理在退火温度下沉积薄膜时，晶粒增大效果则不显著在高于沉积温度下进行退炽热处理能够改变晶粒尺寸。退火温度越高，晶粒尺寸越大。热处理较厚膜这种效果越显著真空蒸发镀膜中存在另一个主要面缺点是层错缺点49/70薄膜结构与缺点第三节薄膜其它问题1.

成份偏析50/70薄膜结构与缺点Si基片上蒸发镀膜400ÅTi膜，然后再沉积厚度为100～200ÅMo膜。Mo膜只沉积到Ti膜一部分，另一部分是裸露Ti膜，最终将样品在N2(或He)+H2(8～

10%)中590℃退火30分钟51/70薄膜结构与缺点52/70薄膜结构与缺点密度是物理结构主要参量，通常它是用测量每单位面积和对应厚度质量确定2.

薄膜密度若薄膜是不连续或多空洞疏松，则其密度低于块体值普通情况下，薄膜厚度越小，其密度也越小；当厚度越来越大时，其密度值逐步靠近块体值53/70薄膜结构与缺点54/70薄膜结构与缺点薄膜在制成后会十分迟缓改变，改变起因在于薄膜制备过程急速冷却而包含各种各样缺点、变形等等3.

薄膜经时改变使用薄膜时，普通要求经时改变越小越好要研究薄膜各种制备条件膜越薄，经时改变越大55/70薄膜结构与缺点从图中能得出什么结论？对我们有何启发？在薄膜制备以后假如在高温下放置数小时(取决于膜和基体材料)，往往会使以后改变比较小，这种处理称为老化56/70薄膜结构与缺点非晶态薄膜是处于一个热力学非平衡状态，或某种亚稳态，这种体系含有较高能量，在退火处理或其它作用影响下，这种体系将释放能量而向晶态转化4.

晶态与非晶态转化在外界作用下，比如加热或离子轰击，将使晶态薄膜转化为非晶态薄膜57/70薄膜结构与缺点4.

1晶态向非晶态转化在用高能离子注入进行表层处理或材料掺杂过程中，有时会发生晶态向非晶态转化现象出现上述转化现象原因在于含有较高能量粒子注入薄膜中，使晶体原子之间价键遭到破坏，原子排列受到扰动，结果形成了原子排列无序状态58/70薄膜结构与缺点通常，无定形化程度，或无定形范围延展，是剂量或成分函数59/70薄膜结构与缺点4.

2非晶态向晶态转化沉积无定形薄膜，在一定温度下退火，或用一定能量激光退火，可能使其向晶态结构转变，成为多晶薄膜，甚至是准单晶薄膜60/70薄膜结构与缺点5.非晶薄